無(wú)線電能量收集器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉　暢

(皇家墨爾本理工大學(xué)，澳大利亞 墨爾本　維多利亞州　3000)

1　無(wú)線電能量收集器簡(jiǎn)介

圖1為無(wú)線電能量收集器的工作流程。從圖1中可以得知，天線在接收了無(wú)線電信號(hào)之后，由于無(wú)線電信號(hào)的傳輸方式接近于正弦波，所以能量以交流電的形式表現(xiàn)。但此時(shí)收集到的能量，即交流電流是非常微弱的，并且電流的相位存在一定程度的紊亂，不論從雜波內(nèi)部的角度還是從能量傳輸路徑的角度上，其能量損耗相比起收集到的能量來(lái)說(shuō)都是比較大的。為了順利運(yùn)用這些能量，首先需要對(duì)不同信號(hào)頻段產(chǎn)生的交流電流做相應(yīng)的阻抗匹配，以達(dá)到交流電流相位一致的目的，再通過(guò)放大器增幅，使該電流所產(chǎn)生的功率有所提高，此時(shí)的能量經(jīng)過(guò)整流之后，理論上便可滿足微小用電器的能量需求了。

圖1　無(wú)線電能量收集器工作流程圖

通常情況下，由于各個(gè)信號(hào)源距接收器的距離不一，所接收到的信號(hào)強(qiáng)度和波長(zhǎng)也不盡相同，另外，無(wú)線電信號(hào)傳輸強(qiáng)度的等級(jí)本身比較低，所以其反映在交流電能量上之后非常微弱，這是該設(shè)計(jì)的一個(gè)最大問(wèn)題。

2　無(wú)線電能量收集器組成及電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，無(wú)線電能量收集器的組成部分包括接收天線、阻抗匹配電路、增壓器、整流器以及負(fù)載電路(微型用電器)，其電路設(shè)計(jì)如圖2所示，大體分為四個(gè)部分。第一部分為信號(hào)能量源電路，即接收天線；第二部分為阻抗匹配電路，含一個(gè)LC振蕩電路；第三部分為增壓器和整流器，在這一部分的終端就是連接第四部分負(fù)載電路的端口。

圖2　無(wú)線電能量收集器電路圖

2.1　接收天線

無(wú)線電磁波能量在日常的生活環(huán)境當(dāng)中非常普遍，自然中產(chǎn)生的電磁波來(lái)自于自然環(huán)境因子，如太陽(yáng)、地球磁力場(chǎng)等，相比之下，人造電磁波的來(lái)源更多，局部范圍內(nèi)密度更大，如手機(jī)信號(hào)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、廣播電視信號(hào)和雷達(dá)探測(cè)信號(hào)。鑒于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和廣播電視信號(hào)的覆蓋率和強(qiáng)度是人類活動(dòng)密集區(qū)域中最大最強(qiáng)的，因此該裝置若在人口密集區(qū)域中使用，采用收集這兩種信號(hào)的適配天線是較好的選擇。本裝置中采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，即人們所說(shuō)的WIFI，天線規(guī)格為WIFI TP-LINK；頻率適配范圍為2.4 GHz～2.5 GHz。

2.2　阻抗匹配

阻抗匹配在電路中的作用在于避免傳輸線路上的射波和應(yīng)射波，從而保證遞送到傳輸線終端的功率盡可能被負(fù)載吸收，以提高傳輸效率。理論上，負(fù)載的阻抗要等于信源內(nèi)阻抗的共軛值，即它們的模相等且輻角之和為零，此時(shí)在負(fù)載阻抗上可以得到最大功率[1-2]。

阻抗匹配電路如圖3所示，其核心是以LC振蕩電路為基礎(chǔ)的低通濾波器。在該電路中，首先要計(jì)算的是前一部分的天線阻抗，根據(jù)其參數(shù)列表中的參數(shù)設(shè)定，阻抗給定值為50 Ω，其中包含40.49 Ω的電阻值和16.17 pF的電容值；第二步計(jì)算基于電容的負(fù)載電路的阻抗和頻率等，假設(shè)傳輸線路的阻抗為50 Ω，計(jì)算并實(shí)驗(yàn)所得LC振蕩電路中的電容(C1)的值為3 pF，電感(L1)的值為2 nH。

2.3　增壓器

由于能量從天線回收之后以交流電形式表現(xiàn)，增壓前需要將交流電轉(zhuǎn)化為直流電[3]。本裝置中的增壓器附帶整流效果，并可以根據(jù)負(fù)載情況需要，通過(guò)使用二極管和三極管將轉(zhuǎn)化后的直流電壓增幅到兩倍或三倍的效果。因?yàn)橥ㄟ^(guò)天線獲取的能量總量很低，產(chǎn)生的功率也非常低[4]，所以想要將這些能量存儲(chǔ)起來(lái)的難度非常大，增壓后直接服務(wù)微型用電器是更好的選擇。

對(duì)于本裝置而言，鍺二極管的特性更為適用，鍺二極管對(duì)低輸入電壓更加敏感，襯底漏電系數(shù)更低，更接近二極管理想狀態(tài)下單向直流無(wú)損耗的特性，但由于其高昂的價(jià)格以致普及度不高，因此，本裝置中的直流增壓器采用了較為普遍的硅二極管。

另外，增壓器中的電容采用了近年來(lái)廣泛應(yīng)用于射頻領(lǐng)域的陶瓷電容器，該增壓器中的電容取值為200 pF。直流增壓器部分的電路如圖4所示。

圖3阻抗匹配電路圖4有整流功能的直流增壓器電路

3　電子元件選型及其主要參數(shù)

所選用的電子元件型號(hào)及主要參數(shù)如下：

(1) 天線型號(hào)為WIFI TP-LINK，適用頻率范圍為2.4 GHz～2.5 GHz。

(2) 天線阻抗為50 Ω，傳輸線路阻抗為50 Ω，負(fù)載電路阻抗為50 mΩ,根據(jù)以上數(shù)據(jù)通過(guò)模擬史密斯圖計(jì)算得到：電容3 pF；電感2 nH。

(3) 直流增壓器中的二極管型號(hào)為HSMS-2820 Schottky(數(shù)量3)；電容采用陶瓷貼片電容 ，取值200 pF(數(shù)量3)。

圖5為電路實(shí)現(xiàn)后的前期產(chǎn)品。

圖5　無(wú)線電能量收集器電路板

4　電路仿真

本次仿真使用仿真軟件PSIM，仿真采用了2.5 GHz頻率波段。2.5 GHz/0.35 V條件下的電路仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　2.5 GHz/0.35 V條件下的電路仿真

在本次仿真中，被測(cè)定的數(shù)據(jù)是天線接收到無(wú)線電能量產(chǎn)生的交流電壓的大小，測(cè)定點(diǎn)是圖1中第一部分的電壓器標(biāo)識(shí)處。圖6中，V0是天線端的輸入能量，V13表征了電路本身對(duì)輸入電流和電壓變化所產(chǎn)生的阻抗變化，由于本次仿真采用的是電壓測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，所以電路阻抗在圖6中的表現(xiàn)形式也是電壓。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，電路的阻抗可以看作是電路的一種惰性，如果電路中的電流和電壓不發(fā)生改變，那么阻抗就不會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，如果一旦產(chǎn)生電流和電壓的變化，那么該變化越快，這種惰性越大，阻抗的值也就越大，當(dāng)電流和電壓趨于穩(wěn)定后，阻抗的值也會(huì)趨于穩(wěn)定。如圖6所示，在大約2 μs之后，輸入和阻抗達(dá)到平衡，輸入電壓標(biāo)準(zhǔn)值大約為0.35 V。

5　仿真結(jié)果分析

采用直流增壓器理論上應(yīng)得到倍數(shù)的電流輸出，但電路損耗相對(duì)能量輸出比例較高，取得成果僅為理論值的10%。

在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)采用穩(wěn)定的電磁信號(hào)生成器作為能量源時(shí)，電路所獲的直流電壓為0.09 V，取負(fù)載電路阻值為50 mΩ,根據(jù)下列公式可以計(jì)算輸出電流：

之后再用公式即可算出負(fù)載接收到的功率：

輸出電功率=電流×直流電壓.

其中，壓降值為0.02 V，輸出電流為0.4 A，輸出電功率為0.036 W。

參考文獻(xiàn)：

[1]Tan J W,Deng S J,Ye F W,et al.Variability analysis of T network impedance matching[J].Applied Mechanics and Materials，2013,427-429：620-623.

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[3]Li X J,Ma M.Effect of coupling capacitance in voltage multiplier design optimization for RF energy harvesting[C]//2015 10th International Conference on Information, Communications and Signal Processing (ICICS).[s.l.]:[s.n.],2015：1-5.

[4]Nintanavongsa P,Muncuk U,Lewis D R,et al.Design optimization and implementation for RF energy harvesting circuits[J].IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems,2012(2):24-33.